插电式混合动力汽车高压塑料燃油箱静强度分析与优化

苏卫东，陈学宏

(亚普汽车部件股份有限公司研究开发中心，江苏扬州 225001)

0 引言

随着全球环境问题、能源问题的日益严重，新能源汽车已成为今后汽车工业发展的主要方向。插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)因具有良好的实用性和技术成熟度，从诸多新能源汽车技术方案中脱颖而出，并逐步为广大汽车消费者所接受，将会是今后相当长一段时间内的重点发展方向[1-3]。

燃油箱系统作为汽车中唯一存储燃料的安全部件，随着混合动力汽车的推广和应用，其设计研究也必然受到影响。由于大部分车主的日常使用中并不经常启动PEHV发动机，燃油箱中挥发汽油气体氧化物会在碳罐内积聚。为了降低碳罐的脱附频率，减少污染物的排放，需要将燃油蒸气密封在燃油系统内。随着温度升高和燃油晃动，燃油蒸汽的增加使得油箱内部压力增大，从而需要一种耐高压油箱[4-5]。为了提高塑料燃油箱的刚度，满足PHEV燃油箱密闭高压的功能要求，塑料燃油箱普遍采用双片吹塑工艺技术，在塑料燃油箱内部设置若干内置立柱来提高其刚度[6-7]。

因此，确定高压塑料燃油箱内置立柱数量及其布置位置，是设计关键和难点。本文作者采用有限元分析技术，模拟燃油箱内部承受正负压力荷载后燃油箱本体的变形，并依据燃油箱本体变形结果，确定最优燃油箱内置立柱布置位置与数量。

1 有限元模型

1.1 模型组成

该燃油箱模型如图1(a)所示，包括燃油箱本体、绑带、减震垫以及若干内置立柱。内置立柱结构分成两种： H形立柱，布置于燃油箱泵口位置，如图1(b)所示；I形立柱，布置在燃油箱非泵口位置，如图1(c)所示。

图1 PHEV燃油箱结构组成

1.2 网格划分

网格划分是在有限元分析前对有限元模型进行前期处理，是有限元分析中必不可少的一个关键步骤，网格划分的好坏直接影响整个有限元分析的效果。为了确保获得合格有限元分析结果，本文作者采用专业有限元前处理软件HyperMesh进行网格划分，燃油箱本体、绑带及减震垫网格的平均尺寸为5 mm，内置立柱网格的平均尺寸为2 mm。燃油箱本体和绑带的单元类型为S3/S4壳单元，减震垫通过刚性单元和软接触实现，其刚性单元类型为RD3/RD4，内置立柱选择4节点实体单元C3D4，网格模型如图2所示。

图2 PHEV燃油箱网格模型

1.3 材料属性

燃油箱本体的材料为HDPE，绑带材料为ST12，内置立柱由HDPE与PPA两种材料包浇组成。由于燃油箱承受压力荷载时的环境温度为80 ℃，故需考虑上述材料在80 ℃的力学性能。3种材料80 ℃时应力应变曲线如图3所示。

图3 3种材料80 ℃时应力应变曲线

1.4 模型装配定义

燃油箱本体外表面与绑带之间定义为硬接触关系，内置立柱与燃油箱内表面之间通过绑定连接。为了模拟减震垫的效果，在减震垫刚性面与燃油箱本体外表面之间设置软接触，其接触压力与压缩量的关系如图4所示。该接触压力曲线是通过将减震垫固定在刚性台面上，采用刚性压块低速压缩减震垫，记录压块所受反作用力与压缩量的关系。

图4 减震垫软接触曲线

1.5 边界条件及工况

减震垫刚性面施加固定约束，绑定4个端面施加4 mm的预紧位移，位移方向为铅直向上。燃油箱施加的荷载工况具体内容见表1。

表1 载荷工况

2 分析结果及优化

2.1 I形内置立柱数量优化

为了研究I形内置立柱数量对燃油箱本体承受正负内压力荷载时变形的影响，本文作者进行了两种I形内置立柱数量燃油箱的变形分析，分别为含3根I形内置立柱和含4根I形内置立柱，其分析模型如图5所示，燃油箱本体变形云图及结果如图6和图7所示。

通过对比可以发现：燃油箱内部I形立柱数量由3增到4后，燃油箱本体的最大变形由26.32 mm降低到18.1 mm，说明增加I形内置立柱的数量，可以减少燃油箱本体变形。

图5 燃油箱分析模型(内置I形立柱)

图6 内置I形立柱燃油箱本体变形云图

图7 内置I形立柱燃油箱本体变形结果对比

2.2 H形立柱效果研究

由图6可知：无论是在燃油箱内部布置3根I形立柱，还是4根I形立柱，燃油箱本体的最大变形均出现在油泵口处。因此，在燃油泵口布置3根H形内置立柱，同时外加2根I形内置立柱，如图8所示，并将其变形模拟结果与图5中布置4根I形的燃油箱模拟结果进行对比，模拟结果如图9和图10所示。

由上述变形结果对比可知，在燃油箱泵口位置布置H形内置立柱后，燃油箱本体的变形下降到5.74 mm，有了非常显著的改善。因此，在燃油箱泵口处H形内置立柱，可以有效限制燃油箱本体的变形。

图8 燃油箱分析模型(内置3根H形立柱和2根I形立柱)

图9 燃油箱本体变形云图(内置3根H形立柱和2根I形立柱)

图10 燃油箱本体变形结果(内置3

2.3 H形立柱数量优化

为了进一步优化燃油箱内置立柱的布置，本文作者在图8的基础上，减少1根H形内置立柱，如图11所示，进行燃油箱变形，并与之前未减少H形立柱的燃油箱模拟结果进行对比，如图12和图13所示。

图11 燃油箱分析模型(内置2根H形立柱和2根I形立柱)

图12 燃油箱本体变形云图(内置2根H形立柱和2根I形立柱)

图13 燃油箱本体变形结果(内置2根H形立柱和2根I形立柱)

由上述变形结果对比可知，燃油箱泵口位置的H形立柱数量由3减少到2后，燃油箱本体变形并没有显著变化。因此，燃油箱泵口H形立柱数量只需要2个，没必要布置3个。

2.4 内置立柱最优布置

根据上述燃油箱变形有限元分析结果的讨论，确定燃油箱内置立柱最优布置为：

(1)布置2根H形内置立柱，对称分布在燃油箱泵口两侧；

(2)为了限制非泵口区域的燃油箱本体变形，布置3根I形内置立柱。具体内置立柱分布如图14所示。

图14 燃油箱内置立柱最优布置

3 结束语

以缩小燃油箱本体变形为目标，以结构有限元分析技术为手段，对塑料燃油箱内置立柱的布置进行了设计优化。首先介绍塑料燃油箱有限元模型的建立，包括网格单元的选择、材料性能的定义、各组件之间装配关系的模拟以及边界条件及分析工况。最后，运用上述有限元模型，对多种内置立柱布置方案的燃油箱进行静强度有限元分析，通过对比不同内置立柱布置方案的燃油箱本体变形，确定最优内置立柱布置方案。